Production and characterization of porous carbon nanofibers as anodes for sodium ion batteries
Gözenekli karbon nano liflerin sodyum iyon pillerı için anot olarak üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 672906
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MELTEM YANILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Energy, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Nano lifler, yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, birbirine bağlı gözenekli 3 boyutlu yapıları, düşük özgül ağırlıkları ve kontrol edilebilir gözenek yapıları sayesinde enerji depolama, filtreleme ve biyomedikal gibi birçok uygulama için geniş çapta araştırılmıştır. Çekme, kendinden montaj, faz ayırma, eritilerek şişirme, elektrik alan lif çekimi ve santrifüj eğirme gibi nano lifleri üretmek için kullanılan bir çok yöntem vardır. Santrifüj eğirme, yüksek üretim hızı ve güvenli üretimi nedeniyle nano lif elde etmek için en umut verici yöntemlerden biridir. Santrifüj eğirmede, yüksek hızla döndürme yardımıyla polimer çözeltisine merkezkaç kuvveti uygulanır ve toplayıcılar üzerinde nano lifler oluşturulur. Nano lif morfolojisi, spesifik yüzey alanı, gözeneklilik ve ortalama lif çapı, çeşitli alanlarda nanoliflerin performansını belirleyen önemli faktörlerdir. Santrifüj eğirmede, nano lif morfolojisi ve ortalama lif çapı, çözelti özelliklerinden ve dönme hızı, besleme hızı, toplayıcı mesafesi ve iğne çapı gibi işlem parametrelerinden etkilenir. Çalışmanın ilk bölümünde çözelti konsantrasyonu (%7- %14 PAN), iğne çapı (0.3 mm, 0.5 mm ve 0.8 mm), dönme hızı (3000 rpm – 7000 rpm), besleme hızı (8 ml/saat – 240 ml/saat), iğne uzunluğu (1.3 cm, 2.5 cm ve 3.8 cm) ve toplayıcı mesafesinin (20 cm, 25 cm ve 30 cm) ortalama lif çapı ve lif morfolojisi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Morfoloji ve lif çapı dağılımı SEM ile analiz edilmiştir. Ayrıca ana faktörleri belirlemek için istatistiksel analiz yapılmıştır. En önemli faktörün çözelti konsantrasyonu olduğu bulunmuştur. Viskozite arttıkça, artan konsantrasyonlarda eğrilen liflerin ortalama çaplarının arttığı gözlemlenmiştir. Ortalama lif çapı, artan iğne çapı ile önemli ölçüde artmıştır %11 PAN çözeltisi için 0.3 mm iğne çapı kullanıldığında ortalama 997 nm çaplı lif elde edilmişken, 0.8 mm iğne çapı kullanıldığında ortalama 2178 nm çaplı lif elde edilmiştir. %8 PAN çözeltisini 0.3 mm iğne çapı ile sırasıyla 3000 rpm, 4000 rpm, 5000 rpm, 6000 rpm ve 7000 rpm'de eğrildiğinde ortalama lif çapları 1650 nm, 680 nm, 1759 nm, 1660 nm ve 1646 nm bulunmuştur. 1.3 cm, 2.5 cm ve 3.8 cm iğne uzunluklarında %13 PAN çözeltisi 4000 rpm'de eğrildiğinde ortalama lif çaplarının sırasıyla 7705 nm, 2824 nm ve 1765 nm olduğu görülmüştür. Artan iğne uzunluğuna karşılık ortalama lif çapları düşmüştür. En düşük ortalama lif çapına sahip lifler, incelenen tüm iğne çapları ve konsantrasyonlar için dönme hızının 4000 rpm olduğunda elde edilmiştir. Ortalama lif çapı ve boncuk oluşumu dikkate alındığında, optimum besleme hızı 60 ml/saat olarak bulunmuştur. Toplayıcı mesafesinin ortalama lif çapı üzerindeki etkisi önemsiz bulunmuştur. Bütün iğne çaplarında ve polimer çözelti konsantrasyonunda toplayıcı mesafesini 20 cm, 25 cm ve 30 cm'e arttırmak önemli bir değişiklik yaratmamıştır. %13 PAN çözeltisi, 0.8 mm iğne çapı, 4000 rpm dönme hızı ve 60 ml/saat besleme hızı ile sistem döndürülürken, toplayıcı mesafesi 20 cm, 25 cm ve 30 cm'e arttırıldığında ortalama lif çapları sırasıyla 1876 nm, 1852 nm ve 1894 nm bulunmuştur. İstatistiksel analiz, yapıldığında, sonuçlarımızın desteklendiği görülmüştür. Çözelti konsantrasyonu; iğne çapı ve iğne uzunluğu, ortalama lif çapı üzerinde oldukça önemli etkileri olduğu görülmüştür. Buna karşılık, toplayıcı mesafesi, dönme hızı, besleme hızı, ortalama lif çapı üzerinde önemli olmayan bir etki göstermiştir. Optimum çözelti ve proses parametreleri de belirlenmiştir. 4000 rpm dönme hızı, 60 ml/saat besleme hızı, 20 cm toplayıcı mesafesi ve 0.3 mm iğne çapı ile Dimetilformamid (DMF) çözücüsü içindeki %8 PAN çözeltisi santrifüj eğirme sisteminde çalışıldığı zaman 680 ± 87 nm ortalama lif çapına sahip boncuksuz nano liflerin oluştuğu gözlenmiştir. Son yıllarda, enerji depolama dahil olmak üzere farklı uygulamalar için yüksek performanslı malzemeler geliştirmek adına birçok çalışmalar yapılmıştır. Piller, diğer enerji depolama cihazlarına kıyasla en yüksek enerji yoğunluğunu sunmaktadır ve bu nedenle yenilenebilir enerji depolama için en umut verici adaylardır. Lityum iyon piller (LIB'ler), taşınabilir elektronik ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmıştır, ancak sınırlı lityum rezervleri, LIB'lerin maliyetini artırmaktadır. Sodyum iyon pilleri (SIB'ler), düşük üretim maliyeri ve yüksek sodyum rezervleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Batarya malzemeleri için kullanılan geleneksel malzemeler büyük hacim değişikliği, tozlaşma, sızıntı, genleşme ve düşük iletkenlik gibi sıkıntılar yaşarken, karbon nano lif gibi tek boyutlu karbon malzemeler mekanik bütünlükleri, iyonik ve elektronik iletkenliği arttırmaları gibi çeşitli özellikleri sayesinde bu problemleri aşmaktadır. Karbon nano lifler sodium iyon pillerinde elektrot olarak kullanıldığında yüksek özgül yüzey alanı, yüksek gözeneklilik ve birbirlerine bağlı gözenekli bir yapıya sahip olmaları sayesinde pilin kapasitesini, Koulombik verimini ve döngü performansını yükseltmiştir. Bu malzemelerin performansı, malzeme türünden; yapısından, mekanik, kimyasal, termal kararlılığından ve gözeneklilik ve yüzey alanı gibi fiziksel özelliklerden büyük ölçüde etkilenmektedir. Yüzey alanı ve gözeneklilik arttıkça; elektrolitin nüfuz etmesi artmaktadır, elektrot daha da yüksek sodyum depolama kapasitesi sağlayabilmektedir ve elektrot, sodyum iyonları için daha kısa transfer uzunluğuna sahip olmaktadır. Ayrıca, gözenekli nano lif nitrojen katkılı olduğunda; nitrojen katkılı gözenekli karbon nano liflerin yüzeyindeki aktif bölgeler; sodyum iyon depolanmasını ve difüzyonunu yükseltmiştir. Ayrıca şarj/deşarj sırasındaki hacim genişlemesini etkili bir şekilde tamponlamaktadırlar ve sodyum iyon interkalasyonu için daha fazla aktif alan sağlayabilmektedir. Çalışmanın ikinci bölümünde; hızlı ve güvenli bir nano lif üretim tekniği olan santrifüj eğirme sistemi ile sodyum iyon piller için anot olarak kullanılacak karbon nano lif üretimi amaçlanmıştır. PAN, yüksek karbon verimi, yüksek termal, kimyasal ve mekanik özellikleri nedeniyle karbon lif kaynağı olarak kullanılmıştır. Karbon nano liflerin gözenekliliğini arttırmak için, düşük karbon içerikli polimerler, PMMA ve PS polimerleri, PAN ile harmanlanmıştır. Artan gözenekliliğin etkisini incelemek amacıyla iki farklı oranda PAN/PMMA karışımları hazırlanmıştır. Ayrıca farklı polimerler (PS ve PMMA) kullanılarak polimer tipinin eğrilen lif morfolojisine etkisi incelenmiştir. PAN/PMMA ve PAN/PS polimer karışımı solüsyonları DMF'de hazırlanmış ve bu çözeltiler santrifüjle eğrilerek, 4000 rpm dönme hızında, 60 ml/saat besleme hızında 0.5 mm iğne çapı ve 20 cm toplayıcı mesafesi ile nano lifler üretilmiştir. Nano lifler elde edildikten sonra, karışım nano lifleri hava atmosferinde 250 ℃ de 5 ℃/dak ısıtma hızıyla 2.5 saat stabilize edilmiştir ve ardından argon atmosferinde 2 ℃/dak ısıtma hızıyla 2 saat 800 ℃'de karbonize edilmiştir. Ayrıca, nitrojen katkılı gözenekli karbon nano lifler de üretilmiştir. Morfoloji ve ortalama lif çapı dağılımı SEM ile analiz edilmiştir. Karbon nano liflerin gözenekli yapısı TEM görüntüleri ile gözlemlenmiştir. Yapısal karakterizasyon için FTIR spektroskopisi, XRD ve Raman spektroskopisi kullanılmıştır. Gözenekli yapı ve düşük ortalama lif çapı, elektrotların elektrokimyasal performansını artırmıştır. Nitrojen katkılı gözenekli karbon nano lifler, en yüksek yaklaşık 270 mAh/g'lik geri dönüşümlü kapasiteyi sağlamıştır ve yüksek gözenekli yapıları ve heteroatom katkısı sayesinde daha iyi C-oranı ve döngü performansı sergilemiştir.
Özet (Çeviri)
Nanofibers have been widely investigated for many applications including energy storage, filtration, and biomedical owing to their high specific surface area, high porosity, uniform interconnected porous 3D structure, low basis weight and controllable pore structure. There are several methods used to fabricate nanofibers such as drawing, self-assembly, phase separation, melt-blown, electrospinning and centrifugal spinning. Centrifugal spinning is one of the most promising method to obtain nanofibers due to its high production rate and safe production. In centrifugal spinning, centrifugal force is applied on polymer solution or melt by using a high-speed rotating spinneret and nanofibers are formed on the collectors. Nanofiber morphology, specific surface area, porosity and average fiber diameter are important factors to determine the performance of nanofibers in several areas. In centrifugal spinning, nanofiber morphology and average fiber diameter are influenced by solution properties and process parameters including rotational speed, feeding rate, collector distance, and nozzle diameter. In the first part of the study, the effect of solution concentration, nozzle diameter, rotational speed, feeding rate, and collector distance on average fiber diameter and fiber morphology were studied. The morphology and fiber diameter distribution were analyzed with SEM. Furthermore, statistical analysis was performed to determine the main factors. Most important factor was found to be solution concentration. Increasing solution concentration led to increased average fiber diameter. The average fiber diameter increased significantly with increasing nozzle diameter as well. Fibers with the lowest average fiber diameter was spun when the rotational speed was 4000 rpm for all studied nozzle diameters. Considering the average fiber diameter and bead formation, the optimum feeding rate was 60 ml/h. The effect of collector distance on average fiber diameter was found insignificant. Statistical analysis, ANOVA, results supported the results as well. It was seen that concentration; nozzle diameter and nozzle length were highly significant factors on average fiber diameter. In contrast, the collector distance, rotational speed, feeding rate showed non-significant effect on the average fiber diameter. Optimum solution and process parameters were determined as well. 8 wt. % PAN in dimethylformamide (DMF) solution was centrifugally spun with the rotational speed of 4000 rpm, feeding rate of 60 ml/h, collector distance of 20 cm and nozzle diameter of 0.3 mm and bead free nanofibers with the average fiber diameter of 680 ± 87 nm was observed. In recent years, there have been great efforts to develop high performance materials for different applications including energy storage. Batteries offer the utmost energy density compared to other energy storage devices and thus they are the most promising candidates for storing renewable energy. Lithium ion batteries (LIBs) have been widely used in portable electronics and electric vehicles however limited lithium reserves increases the cost of LIBs. Thus, production of sodium ion batteries (SIBs) are gaining great attention due to low-cost and high abundance of sodium. Conventional materials used for battery materials suffer from large volume change, pulverization, leakage, expansion and low conductivity whereas carbon nanofibers, one dimensional carbonaceous materials; have high specific surface area, high porosity, good interconnected porous structure and mechanical flexibility that will enhance mechanical integrity, ionic and electronic conductivity and further improve capacity and cycling performance when they are used as electrodes in sodium-ion batteries. The performance of these materials is greatly influenced by the material type; structure; mechanical, chemical, thermal stability and physical properties such as porosity and surface area. When surface area and porosity is increased; the permeation of the electrolyte increases, the electrode can provide even higher sodium storage capability and the electrode will have shorter transport length for sodium ions. Furthermore, when the porous nanofiber is nitrogen doped; the active sites on the surface of the nitrogen doped porous carbon nanofiber will increase so as the sodium ion insertion and desertion at high rates. In the second part of the study; it was aimed to fabricate carbon nanofibers as anodes for sodium ion batteries via centrifugal spinning, fast and safe nanofiber production technique. PAN was used as carbon fiber precursor because of its high carbon yield, high thermal, chemical and mechanical properties. In order to increase porosity of carbon nanofibers PMMA and PS, polymers with low carbon content were blended with PAN. To examine the effect of increased porosity, two different blend ratios of PAN/PMMA mixtures were prepared. In addition, by using different polymers (PS and PMMA), the effect of polymer type on the morphology of spun fibers was investigated. PAN/PMMA and PAN/PS polymer blend solutions were prepared in DMF and these solutions were centrifugally spun and nanofibers were fabricated at the rotational speed of 4000 rpm, feeding rate of 60 ml/h, with 0.5 mm nozzle diameter and 20 cm collector distance. After obtaining nanofibers, blend nanofibers were stabilized in air atmosphere at 250 ℃ for 2.5 h with a heating rate of 5 ℃/min and then carbonized in argon atmosphere at 800 ℃ for 2 h with a heating rate of 2 ℃/min. Furthermore, N-doped porous carbon nanofibers were also fabricated. The morphology and average fiber diameter distribution were analyzed with SEM. Porous structure of the carbon nanofibers was observed via TEM images. FTIR spectroscopy, XRD and Raman spectroscopy were used for structural characterization. Porous structure and low average fiber diameter enhanced the electrochemical performance of electrodes. Nitrogen doped porous carbon nanofibers provided the highest reversible capacity of around 270 mAh/g and exhibited better C-rate and cycling performance owing to their highly porous structure and heteroatom doping.
Benzer Tezler
- Composite carbon nanofiber anodes for na ion batteries
Sodyum iyon piller için kompozit karbon nanofiber anotlar
ELHAM ABDOLRAZZAGHIAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. MELTEM YANILMAZ
- Preparation and characterization of nanofibers for energy applications
Enerji uygulamaları için nanofiberlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
GÖKTUĞ CİHANBEYOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELTEM YANILMAZ
- Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide
Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler
İLKNUR BOZKAYA GERGİN
Doktora
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Syntheses, characterizations, and device fabrications of organic molecules for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında kullanılmak üzere organik moleküllerin sentezi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları
SEBAHAT TOPAL
- Grafen ve iletken polimerler (PEDOT:PSS, PANI) ile modifiye edilmiş karbon nanolif süperkapasitör elektrotların geliştirilmesi ve özelliklerinin incelenmesi
Development and characterization of carbon nanofiber supercapacitor electrodes modified by graphene conductive polymers (PEDOT:PSS, PANI)
YASİN ALTIN
Doktora
Türkçe
2020
EnerjiBursa Teknik ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU